金属材料及其热处理【业界优制】

1、机械制造基础,金工教研室 制造科学与工程学院 2007年春季学期,第一讲 金属材料及其热处理,1,扶风书屋,第一讲 金属材料及其热处理,现代机器以金属材料为基础 性能决定 工艺性好 很少用纯金属，多用合金材料 性能决定 了解金属材料，有助于 理解工艺方法的实质 合理选择零件材料及其生产工艺,2,扶风书屋,第一讲 金属材料及其热处理,工程材料是人类社会赖以生存和发展重要物质基础 工程材料的分类 金属材料、非金属材料、复合材料 现代机器以金属材料为基础 使用性能满足大多数要求 工艺性好 很少用纯金属，多用合金材料:性能决定 了解金属材料，有助于 理解工艺方法的实质 合理选择零件材料及其生产工艺 材

2、料的性能：以金属材料的性能为例,3,扶风书屋,汽车上的材料,4,扶风书屋,5,扶风书屋,6,扶风书屋,7,扶风书屋,8,扶风书屋,工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,有色金属,无机材料,有机材料,轻金属,重金属,复合材料,9,扶风书屋,一、金属材料的主要性能,力学性能 强度与塑性 硬度 韧性 疲劳强度 其它性能 物理、化学及工艺性能,10,扶风书屋,力学性能,拉伸实验,11,扶风书屋,塑性材料和脆性材料,塑性材料,脆性材料,12,扶风书屋,力学性能,强度 金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力 屈服点：s 抗拉强度：b 塑性 金属材料产生塑性变形而不破坏的能力 延长率、断面收缩率,1

3、3,扶风书屋,力学性能,硬度： 抵抗外力不产生局部塑性变形（压痕）的能力 衡量金属软硬程度 影响耐磨性、切削加工性 度量方法 布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV）：金刚石10000为标准度量,14,扶风书屋,布氏硬度（HB）,稳定可靠 仅用于测量HB450以内的材料 不用于成品 硬质合金压头 （HBS） 金刚石压头 （HBW）,15,扶风书屋,洛氏硬度（HR）,16,扶风书屋,维氏硬度（HV）,HV=,F,P,F,17,扶风书屋,力学性能,韧性 金属材料断裂前吸收的能量 冲击韧性 影响因素太多，仅作参考,18,扶风书屋,力学性能,疲劳强度 周期性/非周期性动载荷下 断裂破坏应力

4、远低于强度极限 原因 杂质 表面划痕 微裂纹 缺陷扩展,19,扶风书屋,其它性能,物理性能 密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性 对工艺性有影响 化学性能 常温/高温下抵抗介质腐蚀的能力 耐酸、耐碱、抗氧化性能 工艺性能：非常重要 热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能,20,扶风书屋,二、铁碳合金,制造机器设备的主要金属材料： 钢、铸铁 铁（Fe）碳（C） 铁含量 95，但是决定性能的是碳 我们学习： 纯铁的晶体结构 铁碳合金组织 常用钢材及其选用原则（铸铁稍后介绍）,21,扶风书屋,发表意见,你见过哪些晶体材料？ 晶体有哪些特别的现象？ 金属是晶体吗？,22,扶风书屋,纯铁的晶体结构,金属

5、结晶过程：晶核形成与成长 过冷 冷却速度 晶核 自发 外来 晶粒细 力学性能好 晶核多则细 快冷则细 孕育处理,结晶过程演示,23,扶风书屋,晶格,24,扶风书屋,晶胞,25,扶风书屋,纯铁的晶体结构,体心立方晶胞,26,扶风书屋,纯铁的晶体结构,面心立方晶胞,27,扶风书屋,还有一种晶胞结构,28,扶风书屋,纯铁的同素异构转变,1538：液态固态 Fe 1394：固态固态 Fe 912：固态固态 Fe 二次结晶（重结晶） 固态下的结晶过程 与固液结晶规律相同,29,扶风书屋,铁碳合金的基本组织,合金： 两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质 强度硬度较高、成本低 通过成分和

6、热处理在很大范围内调整其性能 组元：构成合金的元素 铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元） 相：晶格相同、有界面分开,30,扶风书屋,铁碳合金相图中的相,铁素体,珠光体,渗碳体,莱氏体,钢铁分界线,31,扶风书屋,相图的建立,32,扶风书屋,铁碳合状态图的建立,33,扶风书屋,固溶体,34,扶风书屋,间隙固溶体的晶格畸变固溶体与固溶强化,35,扶风书屋,晶体的四种点缺陷,空位,同类原子的间隙原子,异类原子的间隙原子,异类原子的置换原子,36,扶风书屋,关于合金强度的认识,晶粒粗细影响强度 越细强度硬度越高 细化晶粒是冶金和热处理的目标 固溶强化 晶格中混入杂质，增加变形抗力 位错强化 位错是

7、晶体内部的一种缺陷 增加变形抗力,37,扶风书屋,位错强化示意图,38,扶风书屋,两种线缺陷位错,刃型位错的形成过程,39,扶风书屋,面缺陷,40,扶风书屋,铁碳合金中的固溶体,铁素体 Fe中溶碳 6000.006% 7270.021% 强度硬度低 250MPa 80HBS 塑性好 4550 与纯铁近似,41,扶风书屋,铁碳合金中的固溶体,奥氏体 Fe中溶碳 11482.11% 7270.77% 强度硬度不高 塑性优良 4050 易于塑性变形 压力加工时加热形成奥氏体,42,扶风书屋,铁碳合金中的化合物,金属化合物与非金属化合物 金属化合物具有复杂晶格、硬而脆 FeS、MnS：非金属杂质 渗碳

8、体（Fe3C） 铁碳合金中的强化相 硬度高（800HBW）、塑性韧性很低 呈片状、球状、网状 可分解： Fe3C3FeC石墨,43,扶风书屋,铁碳合金中的机械混合物,珠光体（PF+Fe3C） 铁素体渗碳体 C0.77 b750MPa 180HBS 2025 呈片状,44,扶风书屋,铁碳合金中的机械混合物,莱氏体（Ld） C%=4.3% 与渗碳体性能相近：硬而脆 LdA+Fe3C 存在于727以上 LdP+Fe3C 727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物,45,扶风书屋,高温莱氏体,46,扶风书屋,低温莱氏体,47,扶风书屋,铁碳合金相图,48,扶风书屋,状态图分析,A C D E F G

9、S P Q 的意义,49,扶风书屋,状态图分析,ACD：液相线 AECF：固相线（ECF共晶线） GS（A3）：奥氏体中析出铁素体 ES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II） PSK （A1） ：共析线 PQ：铁素体中析出渗碳体（III）,查看铁碳合金相图,查看,查看,查看铁碳合金相图,查看,查看,查看,50,扶风书屋,钢和铁的分界：C%=2.11,钢：C%0.77%：过共析钢 铸铁：C%【2.116.69%】 C%4.3%：过共晶铸铁,51,扶风书屋,共析钢的组织转变（S）,52,扶风书屋,共析钢显微组织（珠光体）,53,扶风书屋,亚共析钢的组织转变,54,扶风书屋,亚共析钢显微组织（C0.

10、2%）,55,扶风书屋,过共析钢的组织转变,56,扶风书屋,过共析钢的显微组织,57,扶风书屋,工业用钢,按化学成分 碳素钢 、 合金钢 按用途 结构钢 、 工具钢 、 特殊性能钢 按质量 普通钢 、 优质钢 、 高级优质钢 按脱氧程度 镇静钢 、 沸腾钢,58,扶风书屋,工业用钢种类汇总,碳素钢,碳素结构钢,优质碳素结构钢,碳素工具钢,合金钢,合金结构钢,特殊性能钢,合金工具钢,低合金结构钢,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,刃具钢,模具钢,量具钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,其它,59,扶风书屋,碳素钢（C%1.5%）,C的影响如图 P冷脆性 0.045%以下 S热脆性 0.05%以下 P、

11、S衡量质量 Si、Mn有益,60,扶风书屋,碳素结构钢,C%0.38%（0.25%以下常用） GB700-88规定 Q215/Q235/Q255:屈服极限215/235/255Mpa A普通；B/C/D优质，含P/S较少 未完全脱氧F（沸腾钢） 完全脱氧Z（镇静钢） Q215-AF Q235（A3）最常用,61,扶风书屋,优质碳素结构钢,(P/S)0.035%，用于重要机件 GB69988规定 20：C%=0.20% 20F：沸腾钢 0825：低碳钢 3055：中碳钢，淬火后强度硬度较高 6075：高碳钢，淬火后可作弹簧,从火花分辨 低、中、高碳钢,62,扶风书屋,碳素工具钢,C%=0.7%1

12、.35% 淬火硬度60HRC 淬透性、热硬性很差 国标规定 T8A：含碳0.8，A：含PS很少的优质钢 T8、T10、T10A、T12常用,63,扶风书屋,合金钢,合金结构钢 含碳量的万分数元素符号百分数 合金含量1.5%不标 高级优质钢A 16Mn 20Cr 40Mn2 30CrMnSi 38CrMoAlA 合金工具钢 含碳量含碳量的千分数元素符号百分数 含碳量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4V 特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9）,64,扶风书屋,零件选材的一般原则,满足工作要求 满足工艺性能要求 重视经济性,65,扶风书屋,三、钢的热处理,目的：强度

13、、硬度、韧性、弹性、工艺性 讨论：现代机器中的热处理 机床中 汽车中 刃具、量具、磨具 改变？ 外形？ 组织？,66,扶风书屋,热处理工艺,67,扶风书屋,热处理工艺方法,普通热处理 “四火”：退火、正火、淬火、回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 渗碳、渗氮、碳氮共渗,68,扶风书屋,工艺原理,69,扶风书屋,退火和正火的加热温度范围,退火 目的 种类 正火 用途 索氏体 硬度强度比珠光体高 韧性相同,70,扶风书屋,退火加热温度范围,71,扶风书屋,淬火与回火,马氏体（M） C原子来不及从A中渗出 过饱和C使晶格严重畸变 硬度高 低温回火 中温回火 高温回火,72,扶风书屋,表面淬火与化

14、学热处理,表面耐磨，内部坚韧 表面淬火 工艺原理 用途 设备：感应线圈、火焰、激光 化学热处理 化学介质中加热保温 表层渗碳、渗氮,坚韧的基体,坚硬的外壳,73,扶风书屋,总结,金属材料的性能 铁碳合金组织 选材原则 钢的热处理,74,扶风书屋,铁碳合金相图：随手画,1148 727 4.3 2.11 0.77 91215381227 两个Y字当中立,0.77,4.3,2.11,912,1538,727,1148,1227,75,扶风书屋,这是什么“体”,铁素体,76,扶风书屋,这是什么“体”,奥氏体,77,扶风书屋,这是什么“体”,珠光体,78,扶风书屋,还有什么“体”,莱氏体 高温莱氏体：

15、A + Fe3C 低温莱氏体：P + Fe3C 马氏体 淬火组织 奥氏体中的碳来不及跑出来 索氏体 正火组织 细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高）,79,扶风书屋,锉刀,选材 T12 工艺过程,锻造,退火,机械加工,淬火,低温回火,热处理,热处理,热处理,80,扶风书屋,作业！,作业： （1）习题集：一 判断题，1，2，21 （2）教材 p9（45题），26（18题），3 2（56题） 思考： （1）教材 p9（13题），32（14，7题） （2）含碳量分别为0.2、1.0、3.0的钢铁在室温下的组织,81,扶风书屋,铁碳合金相图（全图1）,铁素体,珠光体,渗碳体,莱氏体,钢铁分界线,两个

16、单相之间是混合相,82,扶风书屋,铁碳合金相图（全图2）,83,扶风书屋,铁碳合金相图（全图3）,84,扶风书屋,铁碳合金相图（全图4）,ACD液相线,85,扶风书屋,铁碳合金相图（全图5）,AECF：固相线,ECF共晶线,86,扶风书屋,铁碳合金相图（全图6）,GS（A3）： 奥氏体中开始析出铁素体,87,扶风书屋,铁碳合金相图（全图7）,ES（Acm）： 奥氏体中析出二次渗碳体（II）,88,扶风书屋,铁碳合金相图（全图8）,PSK （A1） ：共析线,89,扶风书屋,铁碳合金相图（全图9）,PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）,90,扶风书屋,铁碳合金相图（全图2）,均匀、没有明显晶界

17、,91,扶风书屋,铁碳合金相图（全图2）,珠光体外面有明显的铁素体相,92,扶风书屋,铁碳合金相图（全图2）,珠光体外面有明显的网状渗碳体,93,扶风书屋,常用非金属材料简介,纳米材料 复合材料 功能材料 超塑性合金 超导材料,94,扶风书屋,纳米材料的常识,95,扶风书屋,碳纳米管制作的纳米齿轮模型,96,扶风书屋,纳米材料学,1nm=10-9m 1nm:1M - 相当于乒乓球与地球之比 当材料的颗粒缩小到几到几十纳米时，材料的性质将发生意想不到的变化 碳纳米管强度比钢高100倍，重量是钢的1/6，且导电性怪异 化学性质稳定的材料会发生爆炸 纳米陶瓷可弯曲180o 在电场作用下发出各种颜色的

18、光,97,扶风书屋,纳米材料的研究及应用领域,电子信息技术 高密度信息储存 CPU：AMD的K8；Inter的P4和PM（90纳米制程） 航空、航天及机械建筑领域 航天器、卫星、飞船、汽车、船舶、桥梁等 北京大剧院的外墙 医学领域 微细诊疗器 能源 高存储容量的电池,98,扶风书屋,纳米材料的不安全性,对环境 纳米材料的回收与处理 对环境的影响存在未知风险 对人体 与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在，如矽肺 纳米技术在医学中存在未知风险 纳米技术在药物中存在未知风险 纳米技术在日常生活用品中的潜在风险,99,扶风书屋,扫描电子显微镜下的纤维表面,100,扶风书屋,碳纳米管纤维,101,扶风书屋,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物,102,扶风书屋,美军 新作战服系统 (纳米材料),103,扶风书屋,TAG新型复合材料无人飞机,104,扶风书屋,思 考